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混合动力挖掘机能量管理系统研究

朱骞  
【摘要】:能量管理系统是混合动力挖掘机的核心,能量管理策略的好坏直接影响着混合动力系统的性能。混合动力挖掘机能量管理系统研究对提高系统燃油经济性以及降低排放有着重要的意义,同时该研究也为其他类型混合动力工程机械提供了一定的参考和借鉴。对于混合动力挖掘机,电辅助驱动系统、电回转驱动系统以及动臂能量回收系统的加入,使原有的能量管理系统产生了很大的变化。因此,需要对混合动力挖掘机能量管理系统进行深入研究,开发合适的能量管理策略,进而提高系统燃油经济性。论文对混合动力挖掘机的能量管理系统进行了相关研究,主要包括:通过对混合动力挖掘机能量流的分析,得出混合动力挖掘机能量管理策略的设计要求和要点。针对混合动力挖掘机能量管理系统非线性、多输入、多输出、多条件约束的特点,从能量角度对混合动力挖掘机能量系统进行建模,并给出能量管理问题的数学表达。应用数值动态规划算法求出离线最优能量管理策略,并归纳最优控制规律,辅助在线能量管理策略的开发。为了解决动态规划不能应用于在线控制的问题,应用极大值原理对能量管理问题进行解析求解,并在此基础上提出带在线更新、SOC反馈控制及能量回收补偿的在线自适应能量管理策略。针对挖掘机典型工况下循环往复周期性的特点,提出典型工况下的能量管理策略,进一步提高系统燃油经济性。论文提出的混合动力挖掘机能量管理策略,可以在保证储能元件能量平衡的前提下,有效提高系统燃油经济性。论文各章内容如下:第一章论述了在当前节能减排大环境下,开展混合动力挖掘机能量管理系统研究的重要意义;概述了当前国内外对混合动力系统能量管理策略的研究现状;分析了混合动力汽车能量管理系统的特点,介绍了国内外混合动力汽车能量管理策略的研究现状;分析了混合动力挖掘机能量管理系统的特点,介绍了国内外混合动力工程机械尤其是混合动力挖掘机能量管理策略的研究现状;阐述了挖掘机能量管理系统与汽车能量管理系统的差别,最后提出了本课题的研究内容。第二章中通过对混合动力挖掘机结构类型及作业工况的研究,得出能量管理系统的特点及节能潜力。并在此基础上对混合动力挖掘机的能量流进行分析,归纳混合动力挖掘机能量管理策略的设计目标和要点。从能量角度对系统进行建模,给出能量管理问题的数学表达,将其看作一个非线性的、有限时间域的、带约束的最优化问题。第三章对混合动力挖掘机能量管理的动态规划研究。对第二章提出的能量管理问题进行了离散化处理,并对离散过程中的插值、离散间隔以及状态约束等问题进行了讨论。采用数值动态规划算法对离散的能量管理问题进行求解。通过与传统挖掘机对比,得出了混合动力挖掘机的节能机理,以及各环节的节能比例。通过与基于规则的能量管理策略对比,得出了离线最优能量管理策略的一些控制规律。第四章对在线能量管理策略进行了研究。提出了一种在线自适应能量管理策略,在该策略设计过程中,首先应用极大值原理对简化的能量管理问题进行求解,根据求得的解析解归纳一般的控制规律;然后依次考虑电气元件效率、能量回收以及状态约束的影响,对得出的控制规律进行修正;最后根据所得的控制规律开发在线能量管理策略。由于开发过程中应用了极大值原理最优控制理论,因此该策略具有一定的理论依据,且能够保证一定的最优性。在该策略中对临界值的控制包括三部分:根据挖掘机操作模式选择相应的初始临界值,并根据负载的历史信息对其进行在线更新;根据SOC的状态值对临界值进行实时调节,以满足系统的状态约束要求;为了防止SOC在能量回收情况下剧烈变化,引入了能量回收补偿控制。仿真和试验结果表明,该在线能量管理策略能够有效提高混合动力挖掘机的燃油经济性,同时也具有很强的工况适用性。第五章对典型工况下的能量管理策略进行了研究。混合动力挖掘机在典型工况下具有循环往复周期性操作的特点,可以利用此特点开发适用于特定工况的能量管理策略,进一步提高系统的燃油经济性。本章提出了基于强化学习的典型工况下的能量管理策略。将负载功率需求看作系统的随机状态变量,混合动力挖掘机能量管理问题被视为一个马尔科夫决策过程。利用强化学习算法求解马尔科夫决策过程可以得到与时间无关的能量管理策略,因此所得的控制策略可以直接应用于在线控制。仿真和试验结果表明,提出的能量管理策略在典型工况下能够得到比在线自适应能量管理策略更好的燃油经济性。同时该策略也具有一定的工况适用性,可以应用于同类作业任务下的各种工况。第六章将能量管理与动力系统优化设计相结合,提出了一种基于能量管理的混合动力挖掘机动力系统优化设计方法。该方法能够使动力系统在元件成本和燃油消耗两方面同时达到最优。与仅考虑负载功率需求的传统设计方法相比,该方法综合考虑了燃油经济性、元件成本、负载功率需求和作业工况等因素。设计结果表明,所提出的优化设计方法可以在保证工作效率的前提下兼顾燃油经济性和元件成本,因此它更适合于混合动力挖掘机动力系统的设计。该研究的另一个贡献是归纳了挖掘机动力系统的通用设计规则,通过引入'发动机高效操作点'的概念,来确定辅助电机和超级电容的最佳参数。利用该设计规则可以减少所提设计方法的计算时间。第七章对论文的研究工作和创新点进行了总结,并展望了课题的后续研究方向。


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